Приемник инфракрасного излучения с термоэлектрическим охладителем

Предлагаемая полезная модель относится к фоточувствительным приборам, предназначенным для регистрации теплового излучения, в частности, к полупроводниковым приемникам инфракрасного излучения на основе Hg_1-xCd_xTe - фоторезисторов, используемым в портативных и переносных радиационных термометрах низкотемпературного диапазона, в том числе и для отрицательных температур по шкале Цельсия. Приемник инфракрасного излучения содержит герметичный корпус с входным окном, внутри которого размещен установленный на термоэлектрический охладитель фоторезистор на основе Hg_1-xCd_xTe с рабочим слоем, где х=0,3, причем по обеим сторонам от рабочего слоя расположены варизонные слои, в которых х, по мере удаления от рабочего слоя изменяется от 0,3 до х0,45, а термоэлектрический охладитель выполнен двухкаскадным, верхний каскад которого снабжен стабилизатором температур, а на нижнем каскаде установлена диафрагма поля зрения. В частном случае выполнения входное окно может быть выполнено из лейкосапфира. За счет уменьшения фоновых шумов, отсекаемых охлаждаемой диафрагмой, и снижения собственных шумов, обеспечиваемого наличием варизонных слоев, а также стабилизации температуры фоторезистора на уровне максимального значения фоторезистора происходит увеличение удельной обнаружительной способности приемника излучения до уровня , что обеспечивает регистрацию объектов с температурой до (-50°С).

Предлагаемая полезная модель относится к фоточувствительным приборам, предназначенным для регистрации теплового излучения, в частности, к полупроводниковым приемникам инфракрасного излучения на основе Hg_1-xCd_xTe - фоторезисторов, используемым в портативных и переносных радиационных термометрах низкотемпературного диапазона, в том числе и для отрицательных температур по шкале Цельсия.

Известны приемники инфракрасного излучения на основе Hg_1-xCd_x Te - фоторезисторов, максимум спектральной чувствительности которых меняется в зависимости от концентрации x кадмия. Их обнаружительную способность в максимуме спектральной чувствительности в сильной степени определяет рабочая температура этих приемников. Так например, приемники на основе Hg_1-x Cd_xTe, чувствительные в полосе 3-5 мкм, будучи охлажденными до 77 К имеют обнаружительную способность, практически на порядок большую чем при «промежуточной» температуре (195 К), обеспечиваемой термоэлектрическими системами охлаждения (ТЭО) с несколькими каскадами [Госсорг Ж. Инфракрасная термография. Основы, техника, применение: Пер. с франц. - М.: Мир, 1988, с.255, 261-268]. Однако охлаждение до 77 К достигается только применением габаритных холодильных машин, которые дороги в изготовлении и трудоемки в эксплуатации, а перспективные для практического применения малоразмерные приемники с ТЭО, из-за невысокой пороговой чувствительности в обнаружении низкотемпературных объектов оказываются малопригодными. Как показывают расчеты, для времени накопления 2 мс, светосилы объектива 0,5 и температуры объекта 0°С, пороговая разность температуры не превышает 0,5 К (удельная обнаружительную способность фоторезистора бралась равной 8·10⁹ Вт^-1 см·Гц^1/2). То есть регистрация объектов с отрицательной температурой невозможна. Исходные данные для расчета мотивируются применением радиационных термометров в климатических условиях нашей страны и для целей регистрации быстродвижущихся объектов (например, поездов).

Наиболее близким по технической сущности к предложенному является приемник излучения, содержащий герметичный корпус с входным окном, фоторезистор на основе Hg _1-xCd_xTe, чувствительный в полосе 2÷5 мкм (х=0,3) и снабженный охладителем [Ларцев И.Ю., Никитин М.С., Чеканова Г.В. Фотоэлектрические параметры КРТ фоторезисторов с термоэлектрическим охлаждением. Прикладная физика 2003, 4, с.80-86]. Приемник имеет в максимуме спектральной чувствительности 4÷4,2 мкм удельную обнаружительную способность 4·10 ¹⁰ Вт^-1см·Гц^1/2, что обеспечивает требуемое отношение сигнала к шуму при регистрации объектов с температурой только до минус 5÷7°С, то есть его эксплуатация в зимних условиях ограничена.

Задачей, решаемой с помощью предлагаемой полезной модели, является расширение диапазона температур, при которых обеспечивается регистрация объектов и эксплуатация прибора.

Техническим результатом при использовании предложенной полезной модели является увеличение удельной обнаружительной способности приемника излучения.

Указанный технический результат достигается тем, что в приемнике инфракрасного излучения, содержащем герметичный корпус с входным окном, внутри которого размещен установленный на термоэлектрический охладитель фоторезистор на основе Hg_1-xCd_x Te с рабочим слоем, где х=0,3, фоторезистор содержит расположенные по обеим сторонам от рабочего слоя варизонные слои, в которых х, по мере удаления от рабочего слоя изменяется от 0,3 до х0,45, термоэлектрический охладитель выполнен двухкаскадным и снабжен стабилизатором температуры верхнего каскада, а на нижнем каскаде охладителя установлена диафрагма поля зрения. В частном случае выполнения входное окно может быть выполнено из лейкосапфира.

Уменьшение фоновых шумов в предлагаемом фоторезисторе достигается применением охлаждаемой полевой диафрагмы, а собственные шумы снижаются выращенными в пограничных областях варизонными слоями Hg_1-xCd_xTe. Кроме того, сформированная на поверхности фоторезистора с мольным составом х0,45, дополнительно обеспечивает и высокую защиту рабочего слоя, поскольку обладает практически свойствами диэлектрика. Поддержание температуры фоточувствительного элемента при помощи стабилизатора температуры на уровне, обеспечивающем максимальное значение сопротивления фоторезистора (R_макс), оптимизирует максимальное отношение сигнала к шуму.

Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором изображена принципиальная схема устройства.

Приемник инфракрасного излучения содержит герметичный корпус 1 с входным окном 2, внутри которого расположен снабженный двухкаскадным термоэлектрическим охладителем фоторезистор на основе Hg_1-xCd_xTe с рабочим слоем 3, в котором х=0,3. Фоторезистор дополнительно содержит расположенные по обеим сторонам от рабочего слоя варизонные слои 4 и 5, в которых х по мере удаления от рабочего слоя изменяется от 0,3 до х0,45. Входное окно 2 выполнено из лейкосапфира, термоэлектрический охладитель выполнен двухкаскадным, причем фоторезистор расположен на верхнем каскаде 6, а на нижнем каскаде 7 установлена диафрагма 8 поля зрения. Верхний каскад 6 снабжен стабилизатором температуры, а именно: на его охлаждаемой поверхности размещен датчик температуры 9, который подключен к схеме регулировки тока питания ТЭО (на чертеже не показана), обеспечивающей по показаниям датчика 9 постоянную температуру фоторезистора.

При работе устройства наличие в структуре предложенного фоторезистора варизонных слоев Hg_1-xCd_xTe 4 и 5 с обеих сторон от рабочего слоя 3 уменьшает собственные шумы в объеме структуры за счет уменьшения скорости рекомбинации в пограничных областях. Фоновые шумы фоточувствительного элемента снижаются ограничением поля зрения охлаждаемой диафрагмой 8. Диафрагма 8 поля зрения устанавливается на нижнем каскаде ТЭО 6. Такое расположение практически не нагружает верхний каскад ТЭО. Более того, поскольку нижний каскад ТЭО традиционно значительно мощнее по холодопроизводительности верхнего каскада, удается не только охладить диафрагму до уровня, достаточного для снижения фоновой нагрузки фоторезистора, но и обеспечить более благоприятный режим работы верхнего каскада, за счет уменьшения его тепловой нагрузки. Использование лейкосапфирового входного окна 2 позволяет обеспечить негигроскопичность и высокую износоустойчивость конструкции, даже по отношению к кварцевому песку, что создает условия для стабильной работы прибора в течение длительного времени. В процессе проведения измерений поддержание температуры фоточувствительного элемента при помощи стабилизатора температуры на постоянном уровне, соответствующем R_макс , обеспечивает максимальное отношение сигнала к шуму.

Фоточувствительный элемент изготавливается по технологии меза-структур из пленочного гетероэпитаксиального материала Hg_1-x Cd_xTe, нанесенного методом молекулярно-лучевой эпитаксии на подложку из арсенида галлия (GaAs). В процессе напыления пленки (толщиной 10÷15 мкм) в пограничных зонах (с внешней стороны и со стороны подложки) изменяется мольный состав структуры от х=0,3 до х0,45.

Корпус изготовлен герметичным с входным окном из лейкосапфира. В основании корпуса имеются гермовыводы для обеспечения электрической связи с внешними устройствами питания и съема сигналов. Изнутри к основанию корпуса припаяна тепловыделяющая поверхность нижнего каскада 7 двухкаскадного термоэлектрического охладителя.

Диафрагма выполнена из пленки никеля, толщиной 0,05 мм, покрытой для уменьшения отражения света анодным окислом. Форма диафрагмы соответствует геометрической форме фоторезистора, крепление диафрагмы осуществляется с помощью приваренных к ней металлических ножек, которые торцами припаиваются к теплопоглощающей поверхности нижнего каскада 7 термоэлектрического охладителя.

ТЭО, предназначенный для вывода на низкотемпературный режим фоточувствительного элемента, представляет собой последовательное соединение двух термобатарей. Нижний каскад традиционно более мощный и, следовательно, больший по площади, тепловыделяющей поверхностью припаивают к основанию корпуса. На теплопоглощающую поверхность промежуточного каскада припаиваются тепловыделяющая поверхность низкотемпературного каскада и ножки диафрагмы поля зрения. Количество каскадов ТЭО выбирается с целью обеспечения рабочей температуры чувствительного слоя приемника в диапазоне, соответствующем максимальному сопротивлению фоторезистора R _макс (213-233) К, для условий эксплуатации от -60°С до 50°С.

Стабилизатор температуры выполнен по традиционной схеме, например, с использованием мостовой схемы (см. В.Д.Бочков и др. Матричное фотоприемное устройство на основе селенида свинца. Ж. Прикладная физика. 2, 1999 г.) и содержит установленный на верхнем каскаде 6 охладителя датчик температуры 9, по показаниям которого осуществляется регулировка источника питания ТЭО так, чтобы постоянно поддерживать рабочую температуру фоторезистора при изменении температуры окружающей среды.

Проведенные испытания показали, что предлагаемый приемник инфракрасного излучения содержащий фоторезистор, структура которого по обеим сторонам от рабочего слоя имеет варизонные слои, двухкаскадный ТЭО со стабилизатором температуры, а также установленную на нижнем каскаде охладителя диафрагму поля зрения, позволяет достичь уровня удельной обнаружительной способности , что обеспечивает регистрацию объектов с температурой до (-50°С).

1. Приемник инфракрасного излучения, содержащий герметичный корпус с входным окном, внутри которого размещен установленный на термоэлектрический охладитель фоторезистор на основе Hg _1-xCd_xTe с рабочим слоем, где х=0,3, отличающийся тем, что фоторезистор содержит расположенные по обеим сторонам от рабочего слоя варизонные слои, в которых х по мере удаления от рабочего слоя изменяется от 0,3 до х0,45, термоэлектрический охладитель выполнен двухкаскадным и снабжен стабилизатором температуры верхнего каскада, на котором расположен фоторезистор, а на нижнем каскаде охладителя установлена диафрагма поля зрения.

2. Приемник инфракрасного излучения по п.1, отличающийся тем, что входное окно выполнено из лейкосапфира.